CH678402A5 - - Google Patents
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Description
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CH678 402A5
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Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Kompositmembran für die Gastrennung und die Pervaporation, mit einer 5 porösen Trägerstruktur und einer porenfreien Polymerdeckschicht.
Für die Abtrennung von suspendierten Teilchen und die Konzentrierung und Fraktionierung von makromolekularen Lösungen mittels Membrantechnik 10 werden heute Porenmembranen mit symmetrischer oder asymmetrischer Porenstruktur eingesetzt. Die Porengrösse richtet sich dabei nach der Grösse der abzutrennenden Komponente. Die auf der hydrostatischen Druckdifferenz als treibende Kraft 15 basierenden Mikrofiltrations- und Ultrafiltrationsmembranen besitzen Porenradien von typisch 0.1-20 pm bzw. 1-100 nm. Für diese Prozesse stehen heute eine Reihe symmetrischer oder asymmetrischer Polymer-Porenmembranen zur Verfügung. 20 Daneben werden anorganische Membranen für diese Prozesse verwendet, insbesondere solche aus Keramik, Glas oder Metallen.
Für die Trennung von gasförmigen oder flüssigen Gemischen mittels Membrantechnik sind i.a. so- 25 genannte Löslichkeitsmembranen erforderlich, bei denen die Stofftrennung durch Löslichkeit und Diffusion in einer homogenen, porenfreien Polymerschicht bestimmt wird. Vorzugsweise werden hier entweder asymmetrische Löslichkeitsmembranen 30 eingesetzt, bei denen eine poröse Struktur kurz unterhalb der Oberfläche in eine dünne geschlossene Schicht mündet, oder Kompositmembranen aus einer porösen Trägerstruktur, auf die eine dünne selektive Trennschicht aufgebracht wird. Als Membran- 35 materialien für die integralasymmetrischen Membranen werden z.B. Celtulosederivate, Polyamid oder Polysulfone eingesetzt. Kompositmembranen basieren häufig auf porösem Polysulfon als Trägerstruktur und Silicon (z.B. Polydimethylsiloxan), Polyamid 40 oder Polyäther als selektive Schicht.
Anwendungen im Bereich Gastrennung sind z.B. die Produktion von sauerstoff- bzw. stickstoffangereicherter Luft, die Wasserstoffrückgewinnung bei der Ammoniaksynthese, die Trennung von Koh- 45 lendioxid/Methan-Mischungen und die Entfernung und Rückgewinnung von organischen Lösungsmitteldämpfen aus Abluft. Auf dem Gebiet der Pervaporation lassen sich solche Löslichkeitsmembranen insbesondere für die Auftrennung azeotro- 50 per Flüssigkeitsmischungen (z.B. Ethanol/Wasser-Mischungen) einsetzen.
Die heute in der Gastrennung und Pervaporation eingesetzten Polymermembranen weisen jedoch in gewissen Einsatzgebieten entscheidende Nachteile 55 auf. Die verwendeten Polymermaterialien sind einerseits thermisch sehr beschränkt stabil, so dass Anwendungen bei höheren Temperaturen nicht in Frage kommen. Anderseits neigt der porös-strukturierte Membrananteil solcher Membranen oft dazu, 60 im Kontakt mit Wasser, Wasserdampf und/oder organischen Lösungsmitteln oder deren Dämpfen strukturelle Änderungen (z.B. Quellen) zu erleiden, die sich nachteilig auf die erzielbaren Volumenflüsse auswirken oder im Langzeiteinsatz sogar zu ei- 65
nem vollständigen Verlust der Trenneigenschaften führen können.
Angesichts dieser Gegebenheiten haben sich die Erfinder das Ziel gesetzt, eine für die erwähnten Einsatzgebiete geeignete Kompositmembran bereit-zustellen. r.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe gelöst durch * die Merkmale von Anspruch 1. Weitere Merkmale \ der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen An- ^ Sprüchen.
Dass mikroporöse, teildurchlässige Membranfolien aus Aluminium durch geeignete, auf das Einsatzgebiet (z.B. Mikrofiitration, Ultrafiltration) abgestimmte Ätzverfahren hergestellt werden können, ist beispielsweise aus der EP-A 0 224 444 und der EP-A 0 224 443 bekannt.
Diese Aluminiummembranen haben gegenüber Polymermembranen den Vorteil erhöhter Temperaturstabilität (bis mind. 400°C) und vollständiger Resistenz gegenüber organischen Lösungsmitteln. Strukturänderungen durch Absorption organischer Lösungsmittel treten nicht auf. Damit erfüllen diese Aluminiummembranen Anforderungen, die für einen erfolgreichen Einsatz als Trägerstruktur von Kompositmembranen in den erwähnten Einsatzgebieten ausschlaggebend sind.
Da die bei der Herstellung von Kompositmembranen aufgebrachten Trennschichten fehlstellenfrei und im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit der Membran möglichst dünn sein sollten, sind hohe Ansprüche an die Porenstruktur und Oberflächenrauhigkeit zu stellen. Insbesondere dürfen im Verlauf der Ätzung der Aluminiumfolie keine grösseren Loch-frassstelien oder Poren entstehen, da diese zu Fehlstellen der selektiven Polymerschicht während der Beschichtung oder im Einsatz der Membran führen können. Die in der EP-A 0 224 444 und der EP-A 0 224 443 aufgeführten Ätzverfahren sind für die Erzielung einer definierten Porenstruktur mit enger Porendurchmesserverteilung und relativ geringer Oberflächenrauhigkeit geeignet.
Falls als Substrat eine Aluminiumfolie vom Mikro-filtrationstyp mit Porendurchmessern im Bereich von 0.1-10 um verwendet wird, kann es erforderlich sein, die Poren der Folie von der Rückseite her mit einer geeigneten Lösung zu füllen. Dadurch können die Porenwände der Trägerstruktur z.B. gezielt hy-drophilisiert werden. Bei der nachfolgenden Beschichtung der Vorderseite der Folie mit einer hydrophoben Polymerlösung kann dadurch das unerwünschte Eindringen dieser Lösung verhindert werden; die Schichtbildung beschränkt sich damit wunschgemäss auf die unmittelbare Oberfläche der Substratfolie.
Zur Beschichtung der Aluminiumfoiie können eine Reihe bekannter Verfahren verwendet werden wie j z.B. das Aufsprühen, Aufgiessen oder Aufwalzen » der Polymerlösung. Mittels Ziehstab oder Walzen kann die Menge der aufgetragenen Polymerlösung ' gezielt eingestellt werden, die zusammen mit der ge- ^ wählten Konzentration an Polymer die nach dem Verdampfen des Lösungsmittels erreichte Schichtstärke bestimmt.
Eine weitere Bedingung für einen erfolgreichen Einsatz von AIuminium-Polymer-Kompositmembra-
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nen ist eine gute Verbundhaftung, die auch unter den thermischen und chemischen Beanspruchungen im Laufe des praktischen Einsatzes gegeben sein muss. Zur Verbesserung der Verbundhaftungsbeständigkeit stehen eine Reihe bekannter Oberflächenbehandlungen zur Verfügung, wie sie in der EP-A 0 224 444 und der EP-A 0 224 443 beschrieben sind, z.B. das Aufbringen von korrosionsbeständigen Chromat- oder Phosphatschichten oder die Anodisation in geeigneten Elektrolyten (z.B. (NH4)H2P04).
Claims (14)
1. Kompositmembran für die Gastrennung und die Pervaporation, mit einer porösen Trägerstruktur und einer porenfreien Polymerdeckschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur aus einer porösen Aluminiumfolie besteht.
2. Kompositmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Aluminiumfolie eine Mikrofiltrationsmembran mit Porendurchmessern im Bereich von 0.1 bis 10 um ist.
3. Kompositmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Aluminiumfolie eine Ultrafiltrationsmembran mit Porendurchmessern im Bereich von 1 bis 100 nm ist.
4. Kompositmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Aluminiumfolie durch beidseitige, chemische und/oder elektrochemische Ätzung hergestellt ist.
5. Kompositmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Aluminiumfolie zur Erzielung einer asymmetrischen Porenstruktur durch einseitige, chemische und/oder elektrochemische Ätzung hergestellt ist.
6. Kompositmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der porösen Aluminiumfolie zur Verbesserung der Haftung gegenüber der Polymerdeckschicht mit einer chemisch oder elektrochemisch erzeugten Konversionsschicht versehen ist.
7. Kompositmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerdeckschicht aus Silicon, insbesondere Polydime-thylsiloxan, Polyamid oder Polyäther besteht.
8. Kompositmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerdeckschicht durch Aufsprühen, Aufgiessen oder Aufwalzen von Polymerlösungen geeigneter Konzentration und Verdampfung des Lösungsmittels erzeugt ist.
9. Kompositmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der porösen Aluminiumfolie zur Verhinderung des Eindringens hydrophober Polymerlösungen während des Beschichtungsvorganges in die Porenstruktur hydrophilisiert sind.
10. Verwendung einer Kompositmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die pervaporative Trennung von Flüssigkeitsmischungen.
11. Verwendung einer Kompositmembran nach Anspruch 10 für die pervaporative Trennung von Ethanol/Wasser-Mischungen.
12. Verwendung einer Kompositmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Herstellung von stickstoff- und sauerstoffangereicherter Luft durch Gastrennung.
13. Verwendung einer Kompositmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Trennung von CO2/CH4 Gasmischungen.
14. Verwendung einer Kompositmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Abtrennung von organischen Lösungsmittel- und Kohlenwasserstoffdämpfen aus Luft.
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